Typické svetelné efekty, s ktorými sa každý človek často stretáva v každodennom živote, sú odraz a lom. V tomto článku sa budeme zaoberať prípadom, keď sa oba efekty prejavia v rámci toho istého procesu, budeme hovoriť o fenoméne vnútorného totálneho odrazu.
Odraz svetla
Pred zvážením fenoménu vnútorného úplného odrazu svetla by ste sa mali zoznámiť s účinkami bežného odrazu a lomu. Začnime tým prvým. Pre jednoduchosť budeme uvažovať iba o svetle, hoci tieto javy sú charakteristické pre vlnu akejkoľvek povahy.
Odraz je chápaný ako zmena jednej priamočiarej trajektórie, po ktorej sa pohybuje lúč svetla, na inú priamočiaru trajektóriu, keď na svojej ceste narazí na prekážku. Tento efekt možno pozorovať pri nasmerovaní laserového ukazovátka na zrkadlo. Vzhľad obrázkov oblohy a stromov pri pohľade na vodnú hladinu je tiež výsledkom odrazu slnečného svetla.
Pre odraz platí nasledujúci zákon: uhlydopad a odraz ležia v rovnakej rovine spolu s kolmicou na odraznú plochu a sú si navzájom rovné.
Lom svetla
Efekt lomu je podobný odrazu, len k nemu dochádza, ak je prekážkou v dráhe svetelného lúča iné priehľadné médium. V tomto prípade sa časť počiatočného lúča odráža od povrchu a časť prechádza do druhého média. Táto posledná časť sa nazýva lom lúča a uhol, ktorý zviera s kolmicou na rozhranie, sa nazýva uhol lomu. Lomený lúč leží v rovnakej rovine ako odrazený a dopadajúci lúč.
Silnými príkladmi lomu svetla je zlomenie ceruzky v pohári vody alebo klamná hĺbka jazera, keď sa človek pozrie na jeho dno.
Matematicky je tento jav opísaný pomocou Snellovho zákona. Zodpovedajúci vzorec vyzerá takto:
1 hriech (θ1)=n2 hriech (θ 2).
Tu sú uhly dopadu a lomu označené ako θ1 a θ2. Množstvo n1, n2 odráža rýchlosť svetla v každom médiu. Nazývajú sa indexy lomu médií. Čím väčšie n, tým pomalšie sa svetlo pohybuje v danom materiáli. Napríklad vo vode je rýchlosť svetla o 25 % nižšia ako vo vzduchu, takže index lomu je pre ňu 1,33 (pre vzduch je to 1).
Fenomén úplného vnútorného odrazu
Zákon lomu svetla vedie k jednémuzaujímavý výsledok, keď sa lúč šíri z prostredia s veľkým n. Pozrime sa podrobnejšie na to, čo sa v tomto prípade stane s lúčom. Napíšme Snellov vzorec:
1 hriech (θ1)=n2 hriech (θ 2).
Budeme predpokladať, že n1>n2. V tomto prípade, aby rovnosť zostala pravdivá, θ1 musí byť menšie ako θ2. Tento záver je vždy platný, pretože sa berú do úvahy iba uhly od 0o do 90o, v rámci ktorých funkcia sínus neustále rastie. Ak teda ponecháte hustejšie optické médium pre menej husté (n1>n2), lúč sa viac odchyľuje od normálu.
Teraz zväčšíme uhol θ1. V dôsledku toho príde okamih, keď sa θ2 bude rovnať 90o. Dochádza k úžasnému javu: lúč vyžarovaný z hustejšieho média v ňom zostane, to znamená, že rozhranie medzi dvoma priehľadnými materiálmi sa stane nepriehľadným.
Kritický uhol
Uhol θ1, pre ktorý θ2=90o, sa nazýva kritické pre uvažovanú dvojicu médií. Každý lúč, ktorý dopadne na rozhranie pod uhlom väčším ako je kritický uhol, sa úplne odrazí do prvého prostredia. Pre kritický uhol θc je možné napísať výraz, ktorý priamo vyplýva zo Snellovho vzorca:
sin (θc)=n2 / n1.
Akdruhé médium je vzduch, potom je táto rovnosť zjednodušená do tvaru:
sin (θc)=1 / n1.
Napríklad kritický uhol pre vodu je:
θc=arcsin (1/1, 33)=48, 75o.
Ak sa ponoríte na dno bazéna a pozriete sa hore, oblohu a oblaky, ktoré cez ňu pretekajú, uvidíte len nad vašou hlavou, na zvyšku vodnej hladiny budú viditeľné iba steny bazéna.
Z vyššie uvedenej úvahy je zrejmé, že na rozdiel od lomu nie je totálny odraz reverzibilným javom, vzniká len pri prechode z hustejšieho do menej hustého média, ale nie naopak.
Úplný odraz v prírode a technológii
Snáď najbežnejším efektom v prírode, ktorý nie je možný bez úplného odrazu, je dúha. Farby dúhy sú výsledkom rozptylu bieleho svetla v kvapkách dažďa. Keď však lúče prechádzajú vnútri týchto kvapiek, zažijú buď jednoduchý alebo dvojitý vnútorný odraz. Preto sa dúha vždy javí ako dvojitá.
Fenomén vnútorného úplného odrazu sa používa v technológii optických vlákien. Vďaka optickým vláknam je možné prenášať elektromagnetické vlny bez straty na veľké vzdialenosti.
